一种高压储氢气瓶的制备方法

摘要

本发明涉及一种高压储氢气瓶的制备方法，该制备方法包括：将塑料内衬充压至预充压力并密封，得到充压后的塑料内衬；根据铺层方案对所述充压后的塑料内衬使用纤维进行缠绕，得到缠绕后的塑料内衬；将所述缠绕后的塑料内衬放入固化炉中进行固化，得到塑料内衬复合材料高压储氢气瓶。本发明根据储氢气瓶工作压力，爆破压力、循环寿命以及塑料内衬厚度和铺层方案的不同，设计塑料内衬在缠绕前预充的压力与纤维张力平衡，从而避免缠绕过程中出现的内衬失稳和纤维松弛现象，提高了储氢气瓶的安全性和结构力学性能，此外本发明提供的方法具备通用性，不需要对缠绕机进行升级。

权利要求

1.一种高压储氢气瓶的制备方法，其特征在于，包括：将塑料内衬充压至预充压力并密封，得到充压后的塑料内衬；

根据铺层方案对所述充压后的塑料内衬使用纤维进行缠绕，得到缠绕后的塑料内衬；

将所述缠绕后的塑料内衬放入固化炉中进行固化，得到塑料内衬复合材料高压储氢气瓶；

在所述“将塑料内衬充压至预充压力并密封”步骤之前还包括对所述塑料内衬的预充压力进行校核，校核过程具体包括：确定所述塑料内衬在预充压力下经向应力和环向应力的大小；

所述经向应力和环向应力的计算公式为：

其中， 为经向应力，MPa；为环向应力MPa；R为气瓶中面半径，mm；t为气瓶的壁厚，mm，P为塑料内衬的预充压力，N；

判断所述预充压力下经向应力和环向应力是否均小于塑料内衬所用材料的拉伸强度极限，所述拉伸强度极限为所述塑料内衬进入塑性区的临界；

若是，则所述塑料内衬按照预充压力进行充压；

若否，则重新确定预充压力；

在所述“将塑料内衬充压至预充压力并密封”步骤之前，还包括确定铺层方案，所述铺层方案的确定具体包括：将所述高压储氢气瓶的爆破压强输入有限元软件，所述高压储氢气瓶的爆破压强根据设计指标确定；

在有限元软件中确定每一层的纤维张力、每一层的缠绕角度、缠绕至每一层的塑料内衬半径、缠绕纤维的带宽和需要缠绕的总层数，得到所述铺层方案；

所述预充压力的确定方法，具体包括：

确定在缠绕过程中纤维对所述塑料内衬产生的压应力，所述压应力的计算公式为：其中，Pb为压应力，MPa；Fi为第i层的纤维张力，N；αi为第i层的缠绕角度；Ri‑1为缠绕至i‑1层时的半径，mm；b为缠绕纤维的带宽，mm；n为铺层方案中确定的总层数；

计算所述塑料内衬的临界失稳压力，所述临界失稳压力的计算公式为：其中，Pcr为临界失稳压力，MPa；t为气瓶的壁厚，mm；D为气瓶中面的直径，mm；E为制造塑料内衬材料的弹性模量，MPa；μ为泊松比；

根据所述压应力和所述临界失稳压力的差值，得到所述塑料内衬的预充压力，所述塑料内衬的预充压力的计算公式为：。

2.根据权利要求1所述的高压储氢气瓶的制备方法，其特征在于，所述纤维的外表面浸润有树脂。

3.根据权利要求2所述的高压储氢气瓶的制备方法，其特征在于，固化过程遵循所述树脂的时温特性曲线。

4.根据权利要求1所述的高压储氢气瓶的制备方法，其特征在于，所述缠绕包括环向缠绕和螺旋缠绕。

5.根据权利要求1所述的高压储氢气瓶的制备方法，其特征在于，制造塑料内衬的材料为尼龙或高密度聚乙烯。

6.根据权利要求1所述的高压储氢气瓶的制备方法，其特征在于，所述纤维为碳纤维。

7.根据权利要求1所述的高压储氢气瓶的制备方法，其特征在于，所述塑料内衬所用材料的拉伸强度极限的确定具体包括：按照《GB/T13022‑1991塑料薄膜拉伸性能试验方法》的规定进行力学性能测试得到塑料内衬所用材料的拉伸强度极限。

说明书

一种高压储氢气瓶的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及压力容器制造领域，特别是涉及一种高压储氢气瓶的制备方法。

背景技术

[0002] 复合材料气瓶在上世纪70年代开始在航空航天和军工领域得到应用，随着美国和欧洲将军用技术转向民用市场，其应用领域更加广泛，诸如医疗行业的呼吸器，化工行业的天然气管道以及新能源汽车领域的储氢气瓶。其中塑料内衬复合材料气瓶比传统的金属内衬纤维缠绕气瓶具有重量轻和耐疲劳性等优点，成为了目前开发和应用比较广泛的方向。

[0003] 高压储氢气瓶主要用于存储高压气态氢气，随着当前石油资源的短缺以及碳排放导致的全球气候问题，储氢气瓶相较于低温液态储氢和利用储氢材料而言具有成本低、安全性高等许多优势，尤其在新能源氢燃料电池汽车领域得到了广泛应用。

[0004] 储氢气瓶的储氢密度是制约氢燃料汽车行驶里程的关键因素，以常用的70Mpa储氢气瓶为例，应用塑料内衬可以比金属内衬的储氢密度提高一半以上，是车载储氢气瓶的主要发展方向。但是塑料内衬的模量和强度较低，当在塑料内衬的外表面缠绕有纤维时，在使用过程中塑料内衬很容易出现低压爆破，而且，纤维的缠绕层数也会影响复合材料高压储氢气瓶的力学性能。

[0005] 因此，如何设计一种高压储氢气瓶的制备方法，成为本领域当前要解决的问题。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提供一种改善高压储氢气瓶力学性能的制备方法。复合材料气瓶由碳纤维缠绕在具有密封性和一定强度的塑料内衬上形成，其中碳纤维增强复合材料具有比强度高和比刚度高以及材料性能的可设计性等诸多优点，为气瓶提供强度，保证气瓶满足设计的承载要求。与传统的塑料内衬储氢气瓶制备方法相比，本发明不仅可以有效避免塑料内衬承受纤维张力失稳屈曲，同时可以提高复合材料层内层纤维的发挥强度，继而提高复合材料高压储氢气瓶的结构力学性能，此外本发明具有很强的通用性，不需要对现有的缠绕机进行升级。

[0007] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

[0008] 一种高压储氢气瓶的制备方法，该制备方法包括：

[0009] 将塑料内衬充压至预充压力并密封，得到充压后的塑料内衬；

[0010] 根据铺层方案对所述充压后的塑料内衬使用纤维进行缠绕，得到缠绕后的塑料内衬；

[0011] 将所述缠绕后的塑料内衬放入固化炉中进行固化，得到塑料内衬复合材料高压储氢气瓶。

[0012] 可选的，在所述“将塑料内衬充压至预充压力并密封”步骤之前，还包括确定铺层方案，所述铺层方案的确定具体包括：

[0013] 将所述高压储氢气瓶的爆破压强输入有限元软件，所述高压储氢气瓶的爆破压强根据设计指标确定；

[0014] 在有限元软件中确定每一层的纤维张力、每一层的缠绕角度、缠绕至每一层的塑料内衬半径、缠绕纤维的带宽和需要缠绕的总层数，得到所述铺层方案。

[0015] 可选的，所述预充压力的确定方法，具体包括：

[0016] 确定在缠绕过程中纤维对所述塑料内衬产生的压应力，所述压应力的计算公式为：

[0017]

[0018] 其中，Pb为压应力，MPa；Fi为第i层的纤维张力，N；αi为第i层的缠绕角度；Ri‑1为缠绕至i‑1层时的半径，mm；b为缠绕纤维的带宽，mm；n为铺层方案中确定的总层数；

[0019] 计算所述塑料内衬的临界失稳压力，所述临界失稳压力的计算公式为：

[0020]

[0021] 其中，Pcr为临界失稳压力，MPa；t为气瓶的壁厚，mm；D为气瓶中面的直径，mm；E为制造塑料内衬材料的弹性模量，MPa；μ为泊松比；

[0022] 根据所述压应力和所述临界失稳压力的差值，得到所述塑料内衬的预充压力，所述塑料内衬的预充压力的计算公式为：

[0023] P＝Pb‑Pcr   (3)。

[0024] 可选的，在所述“将塑料内衬充压至预充压力并密封”步骤之前还包括对所述塑料内衬的预充压力进行校核，校核过程具体包括：

[0025] 确定所述塑料内衬在预充压力下经向应力和环向应力的大小；

[0026] 所述经向应力和环向应力的计算公式为：

[0027]

[0028] 其中， 为经向应力，MPa；σθ为环向应力MPa；R为气瓶中面半径，mm；t为气瓶的壁厚，mm，P为塑料内衬的预充压力，MPa；

[0029] 判断所述预充压力下经向应力和环向应力是否均小于塑料内衬所用材料的拉伸强度极限，所述拉伸强度极限为所述塑料内衬进入塑性区的临界；

[0030] 若是，则所述塑料内衬按照预充压力进行充压；

[0031] 若否，则重新确定预充压力。

[0032] 可选的，所述纤维的外表面浸润有树脂。

[0033] 可选的，固化过程遵循所述树脂的时温特性曲线。

[0034] 可选的，所述缠绕包括环向缠绕和螺旋缠绕。

[0035] 可选的，制造塑料内衬的材料为尼龙或高密度聚乙烯。

[0036] 可选的，所述纤维为碳纤维。

[0037] 可选的，所述塑料内衬所用材料的拉伸强度极限的确定具体包括：

[0038] 按照《GB/T13022‑1991塑料薄膜拉伸性能试验方法》的规定进行力学性能测试得到塑料内衬所用材料的拉伸强度极限。

[0039] 根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种高压储氢气瓶的制备方法，本发明根据储氢气瓶工作压力，爆破压力、循环寿命以及塑料内衬厚度和铺层方案的不同，设计塑料内衬在缠绕前预充的压力与纤维张力平衡，从而避免缠绕过程中出现的内衬失稳和纤维松弛现象，提高了储氢气瓶的安全性和结构力学性能，此外本发明提供的方法具备通用性，不需要对缠绕机进行升级。

附图说明

[0040] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0041] 图1为本发明实施例1提供的一种高压储氢气瓶的制备方法的流程图；

[0042] 图2为塑料内衬复合材料高压储氢气瓶的结构示意图。

[0043] 符号说明：1、第一金属接头；2、塑料内衬；3、复合材料层；4、第二金属接头。

具体实施方式

[0044] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0045] 本发明的目的是提供一种高压储氢气瓶的制备方法，通过该制备方法能够解决在缠绕过程中纤维张力作用在内衬上很容易导致其径向失稳，最终在使用过程中出现低压爆破的问题，同时也能够解决由于高压储氢气瓶的缠绕层数较多，内层纤维会出现张力松弛现象，降低其纤维发挥强度，进一步影响复合材料高压储氢气瓶的力学性能的问题。

[0046] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0047] 实施例1：

[0048] 请参阅图1，本发明提供了一种高压储氢气瓶的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

[0049] S1：将塑料内衬充压至预充压力并密封，得到充压后的塑料内衬；

[0050] 在本实施例中，塑料内衬的作用是缠绕芯模和密封，制造塑料内衬的材料为尼龙或高密度聚乙烯，在制造所述塑料内衬之前按照《GB/T13022‑1991塑料薄膜拉伸性能试验方法》的规定进行力学性能测试得到塑料内衬所用材料的拉伸强度极限。

[0051] 为了对所述塑料内衬进行充压，在步骤S1之前还包括：

[0052] 确定铺层方案，所述铺层方案的确定具体包括：

[0053] A1：将所述高压储氢气瓶的爆破压强输入有限元软件，所述高压储氢气瓶的爆破压强根据设计指标确定；

[0054] A2：在有限元软件中对所述塑料内衬的爆破压强进行校核，确定每一层的纤维张力、每一层的缠绕角度、缠绕至每一层的塑料内衬半径、缠绕纤维的带宽和需要缠绕的总层数，得到所述铺层方案。

[0055] 在获得所述铺层方案后，还包括根据所述铺层方案确定预充压力，所述预充压力的确定方法，具体包括：

[0056] B1：确定在缠绕过程中纤维对所述塑料内衬产生的压应力，所述压应力的计算公式为：

[0057]

[0058] 其中，Pb为压应力，MPa；Fi为第i层的纤维张力，N；αi为第i层的缠绕角度；Ri‑1为缠绕至i‑1层时的半径，mm；b为缠绕纤维的带宽，mm；n为铺层方案中确定的总层数；

[0059] B2：计算所述塑料内衬的临界失稳压力，所述临界失稳压力的计算公式为：

[0060]

[0061] 其中，Pcr为临界失稳压力，MPa；t为气瓶的壁厚，mm；D为气瓶中面的直径，mm；E为制造塑料内衬材料的弹性模量，MPa；μ为泊松比；

[0062] B3：根据所述压应力和所述临界失稳压力的差值，得到所述塑料内衬的预充压力，所述塑料内衬的预充压力的计算公式为：

[0063] P＝Pb‑Pcr。   (3)

[0064] 通过所述预充压力即可平衡纤维张力以防止塑料内衬失稳。

[0065] 该步骤S1中，在获得所述塑料内衬的预充压力后，还包括对所述塑料内衬的预充压力进行校核，校核过程具体包括：

[0066] C1：确定所述塑料内衬在预充压力下经向应力和环向应力的大小；

[0067] 所述经向应力和环向应力的计算公式为：

[0068]

[0069] 其中， 为经向应力，MPa；σθ为环向应力MPa；R为气瓶中面半径，mm；t为气瓶的壁厚，mm，P为塑料内衬的预充压力，N；

[0070] C2：判断所述预充压力下经向应力和环向应力是否均小于塑料内衬所用材料的拉伸强度极限，所述拉伸强度极限为所述塑料内衬进入塑性区的临界；

[0071] 若是，则所述塑料内衬按照预充压力进行充压；

[0072] 若否，则重新确定预充压力。

[0073] 通过该步骤S1，可以确定预充压力不会使塑料内衬产生塑性变形，同时也可以抵抗缠绕过程中纤维对塑料内衬的外压以防止失稳，为后续得到力学性能良好的塑料内衬复合材料高压储氢气瓶奠定了基础。

[0074] 另外，针对不同厚度的塑料内衬预充压力一般不同。本发明并未具体限制充压设备是什么，凡是能够使塑料内衬充压至预充压力的方法，均在本发明的保护范围之内。

[0075] S2：根据铺层方案对所述充压后的塑料内衬使用纤维进行缠绕，得到缠绕后的塑料内衬；

[0076] 在本实施例中，所述纤维为碳纤维，在碳纤维的外表面浸润有树脂，所述树脂为与选择的纤维匹配性较好的热固性环氧树脂体系。对所述塑料内衬使用纤维进行缠绕之前将充气并密封好的塑料内衬装夹到缠绕机的主轴上。

[0077] 在该步骤S2中，将热固性环氧树脂在常温下按照树脂配比搅拌均匀后放入缠绕机的浸胶槽中，将浸润树脂后的碳纤维按照步骤S1之前得到的铺层方案进行缠绕，具体线型为：筒身段进行环向缠绕，前后封头和筒身进行螺旋缠绕。

[0078] S3：将所述缠绕后的塑料内衬放入固化炉中进行固化，得到塑料内衬复合材料高压储氢气瓶，具体结构如图2所示。

[0079] 其中，所述塑料内衬复合材料高压储氢气瓶包括第一金属接头1、塑料内衬2、复合材料层3和第二金属接头4。所述第一金属接头1、塑料内衬2和所述第二金属接头4在制造时是一体成型的，所述复合材料层3的主要作用是承担载荷。

[0080] 在该步骤S3中，固化过程遵循所述树脂的时温特性曲线。

[0081] 需要说明的是，所述制备方法根据气体状态方程，在固化过程中气瓶不会发生泄压现象，故不需要多次充装气体。

[0082] 与传统的塑料内衬储氢气瓶制备方法相比，本发明提供的制备方法不仅可以有效避免塑料内衬承受纤维张力失稳屈曲，同时可以提高复合材料层内层纤维的发挥强度，继而提高符合材料高压储氢气瓶的结构力学性能。

[0083] 综上所述，通过本发明提供的一种高压储氢气瓶的制备方法，根据储氢气瓶工作压力，爆破压力以及循环寿命的不同以及塑料内衬厚度和铺层方案的不同，设计塑料内衬在缠绕前预充的压力与纤维张力平衡，从而避免缠绕过程中出现的内衬失稳和纤维松弛现象，提高储氢气瓶的安全性和结构力学性能，此外本发明提供的方法具备通用性，不需要对缠绕机进行升级。

[0084] 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。